Seria: ELEKTRYKA z. 164 Nr kol. 1409
Zbigniew GACEK
OCENA ZAGROŻENIA LINII NAPOWIETRZNYCH WYSOKIEGO NAPIĘCIA WSKUTEK BEZPOŚREDNICH UDERZEŃ PIORUNÓW
Streszczenie. W artykule scharakteryzowano wybrane parametry wyładowań atmosfe
rycznych i oceniono zagrożenie piorunowe linii napowietrznych wysokiego napięcia wskutek bezpośrednich uderzeń piorunów. Zaproponowano metodę obliczania wskaźnika wyłączeń burzowych dla linii napowietrznych 110+400 kV. Zaprezentowano możliwości komputero
wego programu obliczeniowego, służącego do szybkiego szacowania poziomu zagrożenia piorunowego elektroenergetycznych linii napowietrznych wysokiego napięcia.
ESTIMATION OF HIGH VOLTAGE OVERHEAD LINES EXPOSURE TO DIRECT LIGHTNING STROKES
Summary. In the paper choice parameters o f atmospheric discharges are characterized and high voltage overhead lines exposure to direct lightning strokes is estimated. The method for calculation o f lightning sustained outage rate for 110+400 kV overhead lines is proposed.
Characteristics o f the processing program, used for quick estimation o f high voltage overhead power lines exposure to direct lightning strokes, are presented as well.
1. WPROWADZENIE
Burze i pioruny są przedmiotem zainteresowania nie tylko fizyków i meteorologów, ale również elektryków zajmujących się zagadnieniami ochrony odgromowej. Piorun liniowy, będący jedną z form wyładowań atmosferycznych, stwarza bowiem duże zagrożenie m.in. dla elektroenergetycznych linii i stacji napowietrznych. Poniżej rozważa się wyłącznie zagrożenie linii napowietrznych wysokiego napięcia (o napięciach znamionowych 110, 220 i 400 kV) spowodowane tzw. przepięciami piorunowymi bezpośrednimi, powstającymi wskutek uderzeń piorunów bezpośrednio w linie. Artykuł zawiera charakterystykę parametrów wyładowań atmosferycznych i stopnia zagrożenia linii wskutek takich przepięć. Proponuje się metodę obliczania wskaźnika wyłączeń linii, przy uwzględnieniu prawdopodobieństwa bezpośrednich
uderzeń piorunów w wybrane elementy konstrukcyjne linii. Posługując się oryginalnym komputerowym programem obliczeniowym „Piorun”, dokonano przykładowej oceny zagro
żenia piorunowego linii oraz przeanalizowano wpływ niektórych czynników na wartość wskaźnika ich wyłączeń burzowych.
2. NIEKTÓRE PARAMETRY WYŁADOWAŃ ATMOSFERYCZNYCH
Parametry wyładowań atmosferycznych i spowodowanych nimi przepięć piorunowych są wielkościami losowymi. Dane statystyczne dotyczące wartości szczytowych i przebiegów czasowych prądów piorunowych oraz innych parametrów wyładowań atmosferycznych po
chodzą z badań, wykonywanych od kilkudziesięciu lat różnymi metodami przez rozmaite ośrodki naukowe (patrz np. [1] i [2]). Stwierdzono, że w ok. 50% przypadków piorunów o biegunowości ujemnej wartości szczytowe prądów lidera wyładowania głównego nie przekraczają 30^50 kA, a tylko w co najwięcej 5% przekraczają 100 kA. Wartości szczytowe prądów piorunów o biegunowości dodatniej są bardzo rzadko większe od 200 kA. Największe stromości narastania prądów piorunowych w ok. 50% przypadków nie przekraczają 25h-30 kA/ps. Energia pola elektrycznego wyzwalająca się podczas wyładowania głównego jest niewielka, ale moc czynna - bardzo duża. Największy wpływ na stopień zagrożenia prze
pięciowego mają wartości szczytowe i stromości narastania prądu piorunowego. Rozkłady prawdopodobieństwa tych parametrów dla pierwszego wyładowania głównego pioruna - decydującego zazwyczaj o zagrożeniu izolacji przy bezpośrednim uderzeniu pioruna w linię - są zbliżone do rozkładu logarytmo-normalnego. Do celów inżynierskich zaleca się stosować przybliżone aproksymacje dystrybuanty wartości szczytowej prądu pierwszej składowej wyładowania głównego pioruna {ip) między chmurą burzową a ziemią, wyrażane jako prawdopodobieństwo1:
lub też jako prawdopodobieństwo:
gdzie: i - wybrana wartość szczytowa (w kA), którą przekracza prąd Ip.
Prawdopodobieństwa obliczone za pomocą wzorów (la) i (lb) odnoszą się do niezbyt wysokich obiektów w terenie nizinnym i nie różnią się istotnie w prawie całym przedziale
1 (lb)
1 Badania potwierdzają, że udar pierwszy ma kilkakrotnie większą wartość szczytową, ale - jednocześnie - kilkakrotnie mniejszą stromość niż następne udary piorunowe.
wartości prądu piorunów (patrz tabl. 1). W dalszych obliczeniach stosuje się więc wzór (lb), zalecany obecnie przez CIGRE.
Tablica 1 Prawdopodobieństwo przekroczenia przez prąd pioruna ip
zadanej wartości szczytowej prądu i = 5 -s- 200 kA
Prąd i kA 5 10 20 30 50 70 100 200
P(L > i) wg wzoru (la) - 0,98 0,92 0,71 0,5 0,25 0,14 0,07 0,02 P(i„ > i) wg wzoru (lb) - 0,99 0,95 0,75 0,52 0,23 0,11 0,05 0,01
Według [4] i [8], odpowiednią aproksymantą dystrybuanty stromości czoła udaru prądu wyładowania głównego pioruna (s,) jest zależność:
P ( SI > n u x ) = 1 4 5 + 9 ^ 1 i q - 7 . s ilrm''7 ’ ( 2 )
gdzie: sinwL = (dz/d/)^ największa zadana stromość narastania prądu (w kA/ps).
Z badań i wieloletnich obserwacji wynika, że wartość szczytowa i stromość czoła prądu pioruna są wielkościami losowymi o pomijalnym stopniu skorelowania. Oznacza to, że wielkości te mogą być rozpatrywane w analizach inżynierskich w sposób od siebie niezależny.
3. ZAGROŻENIE PIORUNOWE LINII NAPOWIETRZNYCH
Zagrożenie piorunowe obiektów naziemnych wiąże się z intensywnością burzową w da
nym obszarze. Miarą tej intensywności są tzw. poziomy izokerauniczne, wyznaczone przez przeciętne dla danego obszaru liczby dni burzowych w roku (.D). Według [3], liczbę spodzie
wanych piorunów doziemnych w ciągu roku w odniesieniu do 1 km2 powierzchni ziemi (w krajach o klimacie umiarkowanym) można obliczyć za pomocą wzoru2:
Nz = 0,036 D '-\ (3)
Ponieważ w Polsce obserwuje się średnio 20 dni burzowych w ciągu roku (Z) = 20), uzyskuje się Nz = 1,8 uderzeń piorunów na 1 km2 powierzchni ziemi w ciągu roku. W dal
szych obliczeniach przyjmuje się - w zaokrągleniu - za Nz = 2, czyli jak w pracy [4], gdzie uzyskano wartość: Nz = D «„ = 2 uderzenia piorunów na 1 km2 powierzchni ziemi w ciągu
2 Spotyka się różne modyfikacje tego wzoru, na przykład: Nz = 0,04 Z)1-25 lub Nz = 0,04 Z)1-35
roku (dla poziomu izokeraunicznego D = 20 i liczby uderzeń piorunów na 1 km2 powierzchni ziemi w ciągu 1 dnia burzowego nu = 0,1).
Okazuje się, że w obiekty naziemne uderza więcej piorunów, niż wynikałoby to z ilo
czynu zajmowanej przez te obiekty powierzchni i jednostkowej liczby uderzeń N2. Jest to związane z wybiórczością wyładowań piorunowych, czyli ukierunkowaniem przebiegu ostat
niej fazy wyładowania wstępnego pioruna ([1], (2] i [3]). W odniesieniu do linii napowietrz
nej wysokiego napięcia można wykorzystać prawidłowość stwierdzoną podczas badań modelowych. Polega ona na tym, że bezpośrednie uderzenia pioruna w linię następują dopiero wtedy, gdy odległość, po przekroczeniu której wyładowanie wstępne rozwija się już tylko w kierunku najbliższego obiektu uziemionego, nie przekracza w przybliżeniu trzykrotnej średniej wysokości zawieszenia najwyższego przewodu. Napowietrzna linia przesyłowa lub przesyłowo-rozdzielcza jest więc narażona na uderzenia piorunów, które są przejmowane w pasie o szerokości ok. 6 hin tzn. po 3 hir z każdej strony pionowej osi symetrii takiego pasą.
Powyższe dane pozwalają oszacować wskaźnik uderzeń piorunów w ciągu roku w mo
delową linię (o długości / = 100 km) oraz dla NZ = D nu = 2 według wzoru:
N„on = N, Sobl = D nu SM = 0,6 Nz hir = 1,2 hir (4) gdzie:
Sobi = 6 hirl •10‘3 - powierzchnia przejmowania piorunów przez linię, w km2;
hir = hs - 2/3 f - średnia wysokość zawieszenia najwyższego przewodu, w m;
hs - wysokość słupa, w m;
f p - zwis najwyższego przewodu w przęśle, w m.
Istnieją również bardziej złożone wzory, służące do szacowania wskaźnika uderzeń pio
runów w linie:
Num = 2,7 Nz wg [3], (5a)
Nuoil = 3,2 Nz hzr0-6 w g [l], (5b)
Nuoii = 3,8 Nz ńir0,4i wg [9]. (5c)
Zależności wskaźnika uderzeń piorunów N ^ , = f[hsr) w przedziale hir = 20^60 m (dla Nz = 2), obliczone według wzorów (4) i (5a)-r(6c), przedstawione są na rys. 1. Ponieważ wzór (4) daje wartości pośrednie i - jednocześnie - jest najprostszy, dlatego też wykorzystuje się go w dalszych obliczeniach i analizach.
Jednym z bardzo niekorzystnych efektów bezpośrednich uderzeń piorunów w linie są przepięcia piorunowe bezpośrednie. Nie rozpatrywane dalej przepięcia piorunowe po
średnie indukowane w przewodach wskutek uderzeń piorunów w pobliżu linii rzadko prze
kraczają wartość szczytową 200 kV i są groźne jedynie dla linii niskiego i średniego napięcia.
Rys.l. Wskaźnik uderzeń piorunów obliczony według: 1) wzoru (5b), 2) wzoru (4), 3) wzoru (5c), 4) wzoru (5a)
Fig. 1. The frequency of lightning strokes calculated according to 1) the formula (5b), 2) the formula (4), 3) the formula (5c), 4) the formula (5)
Przepięcia piorunowe bezpośrednie stwarzają duże zagrożenie dla izolacji liniowej, co wynika z ryzyka wystąpienia przeskoków na izolacyjnych odstępach powietrznych i łańcu
chach izolatorów (lub nawet przebicia izolacji stałej). Bezpośrednie uderzenia piorunów są również źródłem bardzo silnych zaburzeń elektromagnetycznych, rozprzestrzeniających się m.in. wzdłuż przewodów roboczych. Stwarzają one duże zagrożenie nie tylko dla izolacji liniowej, ale także stacyjnej (urządzeń i aparatów). To ostatnie zagadnienie nie jest jednak rozpatrywane.
Wielkościami charaktery żującymi odporność izolacji liniowej na przepięcia piorunowe bezpośrednie są:
• dopuszczalny poziom udarowy prądowy Id, tj. największa wartość szczytowa prądu pioruna nie powodującego jeszcze przeskoku na izolatorach;
• dopuszczalna stromość udaru prądowego s^, tj. największa stromość czoła prądu pioruna nie powodującego jeszcze przeskoku w powietrzu w środku przęsła.
Od powyższych wielkości zależy m.in. liczba spodziewanych wyłączeń linii zazwyczaj znacząco mniejsza od liczby spodziewanych uderzeń piorunów w linię, ponieważ:
1) przeskoki na izolatorach występują tylko wtedy, gdy wartość szczytowa prądu pioruna przekroczy dopuszczalny poziom prądowy udarowy Id,
2) przeskoki w środku przęsła (między przewodami odgromowymi a roboczymi) wystąpią tylko wtedy, gdy stromość czoła udaru prądowego pioruna przekroczy stromość su,
3) linie są wyłączane przez układy automatyki SPZ tylko wtedy, gdy wyładowanie iskrowe przekształci się w łuk zwarciowy (są to najczęściej wyłączenia przemijające).
Traktując linię jako jedną całość, tj. nie rozróżniając w ogólnym ujęciu jej istotnych elementów składowych, wskaźnik wszystkich wyłączeń burzowych linii (przemijających i trwałych łącznie) można obliczyć ze wzoru:
Kobi = Km p K SJ Tl = 1,2 K PK *u) 11, (6)
gdzie:
Nuobi - wskaźnik uderzeń piorunów w linię wg wzoru (4),
P(ld, Su) - prawdopodobieństwo przeskoku na izolacji przy uderzeniu pioruna o parame
trach prądu wyładowania głównego przekraczających Id lub sid,
ri .= 0,015 Eir - 0,04 - prawdopodobieństwo przekształcenia się wyładowania iskrowego w łuk zwarciowy, zasilany napięciem przemiennym roboczym (wzór empirycz
ny wg [7]),
Eir = U J y fi a - wartość skuteczna średniego roboczego natężenia pola elektrycznego w układzie izolacyjnym, w kV/m,
a - długość rozpatrywanego układu izolacyjnego (łańcucha izolatorów lub odstępu po
wietrznego między przewodem odgromowym a roboczym), w m, Um - największe napięcie międzyprzewodowe linii, w kV.
Częstość wyłączeń burzowych linii można zmniejszyć poprzez obniżenie prawdopodo
bieństwa przeskoków na izolacji liniowej oraz prawdopodobieństwa powstawania łuków zwarciowych, dzięki stosowaniu:
- łańcuchów izolatorów o wystarczająco dużej wytrzymałości elektrycznej udarowej, - przewodów odgromowych zawieszonych nad przewodami roboczymi,
- konstrukcji wsporczych z uziomami o niewielkich rezystancjach udarowych.
Skutecznym środkiem ochrony przed trwałymi wyłączeniami burzowymi linii są układy automatyki SPZ. W wyniku ich działania (w cyklu WZ lub WZWZ) większość wyłączeń ma charakter przemijający. Oznacza to, że liczba wyłączeń trwałych (głównie w wyniku uszko
dzeń izolatorów lub osprzętu) jest znacząco mniejsza od wyłączeń przemijających linii, będących efektem skutecznego działania SPZ.
4. LICZBA WYŁĄCZEŃ LIND WSKUTEK UDERZEŃ PIORUNÓW
W liniach napowietrznych o napięciu znamionowym 110 kV i wyższym wyróżniają się trzy przypadki bezpośredniego uderzenia pioruna (rys. 2) z zadanym prawdopodobieństwem ą / : 1) w słup lub przewód odgromowy w pobliżu słupa (ą/s = 0,5 -*■ 0,6),
2) w środek przęsła przewodu odgromowego (y 0 = 0,4 -s- 0,5),
3) w przewód roboczy, mimo istnienia przewodów odgromowych (v|/r < 0,01).
Uderzenia piorunów w wybrane elementy konstrukcyjne linii są więc traktowane jako zda
rzenia losowe, występujące alternatywnie z określonymi prawdopodobieństwami y s, \j/0 i vpr (dopełniającymi się do jedności).
Rys. 2. Charakterystyczne przypadki uderzenia pioruna w linię napowietrzną wysokiego napięcia z przewodami odgromowymi: 1) uderzenie w słup, 2) uderzenie w środek przęsła przewodu odgromowego, 3) uderzenie w przewód roboczy
Fig. 2. Characteristic cases for lightning stroke to the high voltage line with ground conductors:
1) stroke to the tower, 2) stroke to midspan of the ground conductor, 3) stroke to the phase conductor
Uderzenie w slup lub w przewód odgromowy w pobliżu siupa
Po uderzeniu w słup lub w przewód odgromowy w pobliżu słupa większa część prądu pioruna płynie przez konstrukcję wsporczą do ziemi, a reszta przemieszcza się w obie strony przewodu odgromowego ku sąsiednim słupom. Rezystancja udarowa uziemienia słupa jest bowiem znacząco mniejsza od impedancji falowej przewodu. Występujące wtedy dynamiczne procesy falowe są bardzo skomplikowane i trudne do ujęcia analitycznego. Spośród kilku składowych przebiegów napięcia na słupie decydujące znaczenie ilościowe ma spadek napięcia na rezystancji udarowej słupa ([3], [4] i [8]). Dlatego też w celu określenia warunku uniknięcia przeskoku odwrotnego na łańcuchu izolatorów (od słupa do przewodu roboczego) uzasadnione jest stosowanie przybliżonej metody obliczeniowej, opartej na dopuszczalnym poziomie udarowym prądowym (w kA), wyrażonym wzorem empirycznym:
(7) gdzie:
Uso - 50-procentowe udarowe napięcie przeskoku łańcucha izolatorów, w kV, Rzu - rezystancja udarowa uziemienia, w Q,
5p = 0,15+0,3 - współczynnik uwzględniający wpływ napięć indukowanych na rezystancję udarową uziemienia słupa (dla linii z dwoma i jednym przewodem odgromowym);
hs - wysokość słupa, w m.
We wzorze (7) - zamiast składowych spadków napięcia na indukcyjności własnej słupa i indukowanych na przewodzie roboczym wskutek przemieszczania się fal elektromagne
tycznych wzdłuż przewodu odgromowego - wprowadzona jest zastępcza wielkość o charak
terze rezystancji. Taki sposób postępowania można stosować tylko do przybliżonego opisu procesu przepięciowego bezpośrednio po uderzeniu pioruna, decydującego jednak o zagro
żeniu piorunowym izolacji liniowej. W dalszej części stanu nieustalonego impedancja falowa przewodów jest stopniowo eliminowana wskutek wielokrotnych odbić fal od sąsiednich słu
pów, a charakter procesu falowego ulega zmianie. Rośnie znaczenie indukcyjności przewo
dów i fale odbijają się od praktycznie zwartych wierzchołków słupów. Takie złożone procesy falowe odtwarza się komputerowo lub na modelach.
Uderzenie w środek przęsła przewodu odgromowego
Najwyższe napięcie występujące w miejscu uderzenia między przewodem odgromo
wym a roboczym jest uwarunkowane długością przedziału czasu upływającego od chwili uderzenia do nadejścia fali odbitej od wierzchołka najbliższego słupa. Rezystancja udarowa uziemienia słupa jest wielokrotnie mniejsza od impedancji falowej przewodów, więc wierzchołki sąsiednich słupów można uważać (w przybliżeniu) za zwarte punkty węzłowe.
Dla prądu pioruna o ukośnym czole i impedancji falowej przewodu odgromowego Z = 400 fi można udowodnić [4], że największa wartość napięcia (w kV) na odstępie powietrznym przewód odgromowy - przewód roboczy w miejscu uderzenia pioruna wyraża się wzorem:
C ^ t U l - Ł J s l O O ^ a - * . ) — , (8)
V
natomiast dopuszczalną stromość czoła (w kA/ps) udarowego prądu pioruna określa wzór:
s ¿ A o V 750 2250 aor
* ( 1 - * . ) 1 0 0 / , ( 1 - Ł J 1 0 0 / , (1 - * . ) / , ’ gdzie:
Uw - największa wartość napięcia na porażonym przewodzie odgromowym, w kV, ku = 0,3(0,4)^0,5(0,6) - udarowy współczynnik sprzężenia przewodów odgromowego i ro
boczego dla linii 400 kV i 110+220 kV (bez nawiasów z jednym przewodem odgro
mowym, w nawiasach z dwoma przewodami odgromowymi), s, - stromość czoła udaru prądu pioruna, w kA/ps,
lp - rozpiętość przęsła, w m,
v = 300 m/ps - prędkość przemieszczania się fali elektromagnetycznej w powietrzu,
U50 = 750 aor - 50-procentowe udarowe napięcie przeskoku między przewodem odgromo
wym i roboczym, w kV,
aor - odstęp powietrzny między przewodem odgromowym i roboczym w środku przęsła, w m.
Odstęp między przewodem odgromowym i przewodem roboczym dobiera się w ten sposób, aby ograniczyć do minimum ryzyko przeskoku w środku przęsła. W tym zakresie obowiązuje w Polsce norma PN-75/E-05100 (obecnie nowelizowana), według której powi
nien być spełniony warunek: a j l p >0,015.
Uderzenie w przewód roboczy
Przypadek przedostania się pioruna przez strefę osłonową przewodów odgromowych występuje bardzo rzadko, z prawdopodobieństwem rzędu y , < 0,01. Dopuszczalny poziom udarowy prądowy (w kA) dla łańcucha izolatorów, przy uwzględnieniu ekranującego działa
nia przewodu odgromowego, oblicza się w tym przypadku ze wzoru:
Ird
=----
^ 2---- , (
10)
Ti 100(1- * . )
w którym Us0 - 50-procentowe udarowe napięcie przeskoku dla łańcucha izolatorów, w kV.
Znając probabilistyczne charakterystyki prądu pioruna oraz główne parametry kon
strukcyjne i wytrzymałościowe układów izolacyjnych można obliczyć spodziewaną liczbę wyłączeń burzowych linii w ciągu roku. Wyniki tych obliczeń są wprawdzie przybliżone i zwykle zawyżone, ale pozwalają na oszacowanie zagrożenia burzowego linii napo
wietrznych wysokiego napięcia oraz - pośrednio - zastosowanej ochrony odgromowej.
Uwzględniając trży alternatywne przypadki uderzenia pioruna w linię (z prawdopodo
bieństwami vj/s, v|/0 i y r), wskaźnik wyłączeń burzowych linii modelowej (o długości 100 km) można obliczyć ze wzoru:
= 1,2 hir ( y s P(Isd, s j r|s + y 0P(j*)Ti0 + \|/r .?(/*) ti,}. (11) Wskaźnik ten, obliczony dla poziomu izokeraunicznego D = 20 dni burzowych w ciągu roku i wartości nu - 0,1 uderzeń piorunów na 1 km2 powierzchni ziemi w ciągu 1 dnia burzowego, odnosi się do sumarycznych wyłączeń burzowych linii, obejmujących zarówno wyłączenia przemijające (będące efektem skutecznego działania SPZ), jak i wyłączenia trwałe (będące efektem uszkodzeń izolacji i osprzętu).
5. WYZNACZANIE POZIOMU ZAGROŻENIA PIORUNOWEGO LINII
Do oceny zagrożenia linii napowietrznej wysokiego napięcia wskutek bezpośrednich uderzeń piorunów opracowano komputerowy program obliczeniowy „Piorun”, który może być realizowany na mikrokomputerze klasy PC IBM [5], Podstawowymi danymi wejścio
wymi do tego programu są: napięcie znamionowe linii (110, 220 lub 400 kV), liczba przewo
dów odgromowych (1 lub 2), znamionowe udarowe piorunowe napięcie probiercze izolacji liniowej (wg PN-81/E-05001), udarowy współczynnik sprzężenia przewodów ku = 0,4+0,5 (odpowiednio dla linii z jednym i dwoma przewodami odgromowymi), współczynnik obliczeniowy 5p = 0,15+0,30 (odpowiednio dla linii z dwoma i jednym przewodem odgro
mowym). Poza tym, w kolejnych tablicach należy zadeklarować następujące dane oblicze
niowe: wartość rezystancji udarowej uziemienia słupa Rlu, stosunek odstępu między przewo
dem odgromowym i roboczym (w środku przęsła) do rozpiętości przęsła a j l p, wysokość słupa hs, długość łańcucha izolatorów ab, prawdopodobieństwa trafienia pioruna w słup ips oraz przewód odgromowy ij/0 i przewód roboczy iyr, odległość między przewodem roboczym a odgromowym w środku przęsła aor, poziom izokerauniczny D, długość linii /, spodziewaną liczbę uderzeń piorunów w odniesieniu do 1 km2 i 1 dnia burzowego n„. Program jest zabezpieczony przed wpisywaniem wartości danych zbyt daleko odbiegających od wartości rzeczywistych.
Na rys. 3 przedstawiono przykłady obliczeń wskaźnika sumarycznych wyłączeń burzo
wych linii 110 kV w zależności od rezystancji udarowej uziemienia słupa; przyjęto typowe wartości poziomu izokeraunicznego D = 20 i jednostkowego wskaźnika «„ = 0,1 uderzeń
10 20 30 O
Rys. 3. Wskaźnik wyłączeń burzowych linii 110 kV w zależności od rezystancji uziemienia słupa:
1 - linia z jednym przewodem odgromowym i łańcuchami z izolatorów o długości aiz= 1,3 m, 2 - linia z dwoma przewodami odgromowymi i łańcuchami o długości = 1,3 m, 3 - linia z jednym przewodem odgromowym i łańcuchami o długości ab = 1,7 m, 4 - linia z dwoma przewodami odgromowymi i łańcuchami o długości = 1,7 m
Fig. 3. Lightning sustained outage rate for 110 kV lines as a function of the resistance to earth of the tower: 1 - line with one ground conductor and insulator sets of = 1.3 m, 2 - line with two ground conductors and insulator sets of = 1-3 m, 3 - line with one ground conductor and insulator sets of au = 1.7 m, 4 - line with two ground conductors and insulator sets of at = 1.7
piorunów na 1 km2 i jeden dzień burzowy. Rozważano linie z jednym lub dwoma prze
wodami odgromowymi, wyposażone - alternatywnie - w łańcuchy izolatorów o długości aa = 1,3 + 1,7 m (znamionowe udarowe napięcie probiercze 450+550 kV). Wynika stąd, że przy wzroście rezystancji do ok. 20 Q następuje wyraźny wzrost wartości analizowanego wskaźnika. Powyżej tej rezystancji przyrost wartości wskaźnika jest mniej znaczący, a ponadto zmniejsza się wyraźnie wpływ liczby przewodów odgromowych i długości (wy
trzymałości udarowej) izolatorów. Ostatnia z właściwości ma jednak istotne znaczenie, gdy rezystancja Rzu nie osiąga znacznych wartości. Przykładowo, dla = 10 Q stosunki wartości wskaźników wyłączeń burzowych linii z łańcuchami przelotowymi izolatorów o długościach 1,3 i 1,7 m wynoszą aż ok. 1,6+1,7 (odpowiednio dla linii z jednym i dwoma przewodami odgromowymi).
Na wartość wskaźnika wyłączeń burzowych linii wpływają również inne wyszcze
gólnione powyżej parametry i wielkości, m.in. proporcje między prawdopodobieństwami uderzenia pioruna w określone elementy konstrukcyjne linii. Świadczą o tym wykresy na rys. 4, wyrażające zależności wskaźnika wyłączeń linii 110, 220 i 400 kV z dwoma przewo
dami odgromowymi od prawdopodobieństwa uderzenia pioruna w słup (przy jednoczesnym
Rys. 4. Wskaźnik wyłączeń burzowych linii 110+400 kV w zależności od prawdopodobieństwa uderzenia pioruna w słup: 1 - linii 110 kV i łańcuchach izolatorów o długości 1,3 m, 2 - linii 110 kV i łańcuchach izolatorów o długości 1,7 m, 3 - linii 220 kV i łańcuchach izolatorów o długości 2,5 m, 4 - linii 400 kV i łańcuchach izolatorów o długości 5 m
Fig. 4. Lightning sustained outage rate for 110+400 kV lines as a function of the probability of lighting stroke to the tower for: 1 - 110 kV line with insulator sets of 1.3 m, 2 - 110 kV line with insulator sets of 1.7 m, 3 - 220 kV line with insulator sets of 2.5 m, 4 - 400 kV line with insulator sets of 5 m
zmniejszaniu się prawdopodobieństwa uderzenia w przęsło przewodu odgromowego) dla stałej rezystancji uziemienia słupa Rzu = 10 O. Ponieważ ze wzrostem prawdopodobieństwa vj/s wartość wskaźnika rośnie, więc newralgicznymi elementami linii podczas wyładowań atmo
sferycznych są zazwyczaj łańcuchy izolatorów liniowych, czyli - mimo niewielkiej wartości rezystancji Rzu - ryzyko przeskoku odwrotnego jest nie do pominięcia. Zależność wskaźnika wyłączeń od prawdopodobieństwa uderzenia pioruna w słup staje się mniej istotna w miarę wzrostu napięcia znamionowego linii, gdyż w liniach bardzo wysokich i najwyższych napięć są stosowane coraz dłuższe łańcuchy izolatorów.
6. PODSUMOWANIE
• Wieloletnie badania i analizy mechanizmów oraz parametrów wyładowań piorunowych pozwoliły znacznie ujednolicić poglądy w tym zakresie. Wartości tych parametrów przyjmo
wane w latach siedemdziesiątych i obecnie niewiele się od siebie różnią. Probabilistyczne charakterystyki prądu pioruna oraz parametry konstrukcyjne i wytrzymałościowe układów izolacyjnych pozwalają na obliczanie spodziewanej liczby wyłączeń burzowych linii w ciągu roku. Wyniki tych obliczeń są przybliżone i - zazwyczaj - nieco zawyżone.
• Trudno jest jednoznacznie sformułować ilościowe miary stopnia odporności burzowej linii napowietrznych wysokiego napięcia. W przybliżeniu można przyjąć, że jeśli wskaźnik wszystkich wyłączeń burzowych (przemijających i trwałych) wynosi NwM < 1, to ochrona odgromowa linii jest bardzo dobra, jeśli mieści się w granicach 1 < Nwobt < 4, to ochrona odgromowa linii jest dobra, a gdy NwM > 4, to ochronę odgromową linii należy uznać na niewystarczaj ącą.
• Praktyczne możliwości wpływania na wartość wskaźnika Nwobl są raczej niewielkie.
Parametry geometryczne słupów, długości łańcuchów izolatorów oraz odstępy powietrzne między przewodem odgromowym a roboczym są z sobą związane, a przedziały zmienności ich wartości dość ograniczone. W praktyce zmniejszenie poziomu zagrożenia linii napo
wietrznych wysokiego napięcia wskutek bezpośrednich uderzeń piorunów można uzyskać jedynie poprzez zmniejszenie wartości rezystancji uziemienia słupów linii.
LITERATURA
1. Anderson R.B., Erikson A.J.: Lightning and Thunderstorm Parameters. IEE Publ. No 236
"Lightning and Power Systems", London 1984.
2. CIGRE Publ. 63, 1991. Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines.
3. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, wyd. 3, Warszawa 1995.
4. Gacek Z.: Technika wysokich napięć. Izolacja wysokonapięciowa w elektroenergetyce.
Przepięcia i ochrona przeciwprzepięciowa. Skrypt Pol. Śląskiej nr 1830, wyd.2, Gliwice 1994.
5. Gacek Z., Rusek T., Sosiński R.: Komputerowe wyznaczanie stopnia zagrożenia pioruno
wego w liniach przesyłowych. Mat. Konf. ZKwE'98, Poznań-Kiekrz 1998.
6. IEEE Working Group Report: Estimating Lightning Performance o f Transmission Lines II.
IEEE Trans, on PWRD, Vol. 8, No 3,1993.
7. Stiepanczuk K. F, Tiniakow N. A.: Tiechnika wysokich napriażenij. Wysszaja Szkoła, Mińsk 1982.
8. Szpor S., Samuła J.: Ochrona odgromowa (wiadomości podstawowe), LI, WNT, Warsza
wa 1983.
9. Rizk A. M. F.: Modeling o f Transmission Line Exposure to Direct Lightning Strokes.
IEEE Trans, on PWRD, Vol. 5, No 4,1990.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Zbigniew Pohl Wpłynęło do Redakcji dn. 16 czerwca 1998 r.
Abstract
The paper deals with suggestions o f a quantitative estimation o f high voltage overhead lines exposure to direct lightning strokes. It includes the following problems:
- characterization o f atmospheric discharges (particularly considering parameters o f the light
ning current as a random quantity),
- estimation o f the danger to high voltage overhead lines (110+400 kV) coming from direct lightning strokes,
- estimation of expected outage rate and sustained outage rate o f overhead lines due to direct lightning strokes.
Basing on the above suggestions the original processing program "Piorun" has been developed. The program enables to estimate in a quick way the sustained outage rate of 110 + 400 kV overhead lines due to direct lightning strokes. These lines may be equipped with: 1 or 2 ground conductors, different insulating systems (with different length and electri
cal impulse strength), and metallic supports (with different height and impulse resistance to earth). Calculation results are approximate; applied simplifications come to some extent overestimated results. The calculation examples prove that the following quantities: impulse resistance to earth, insulation strength and probability o f direct lightning stroke to a choice line element influence high voltage overhead line exposure to direct lightning stroke.
